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杂环有机化合物缓蚀作用的量子化学研究
腐蚀会损坏所有材料，因此必须更换和检查相关费用。因此，对新型腐蚀抑制剂材料的需求增加。不同材料的腐蚀抑制率不同，但有机化合物对各种合金和金属的水腐蚀抑制效率很高。在 O、N 和 S 存在的情况下，这种效率会提高。当同一化合物中同时存在 S 和 N 原子时，分子会产生很强的抑制作用。本文研究了 1,3,4-噻二唑分子和几种由不同取代基组成的有机化合物（如 R 1 和 R 2 ）的电子结构。它们与 1,3,4-噻二唑环结合在一起，得到九种不同的衍生物。使用高斯程序在 6-311G++（d，p）基组和 Becke 三参数混合（B3LYP）水平上进行量子计算（密度泛函理论，DFT）。本研究的目的是确定几种杂环有机化合物的化学行为并了解腐蚀抑制过程。
量子化学理论与人工智能技术结合
作者简介：清野淳二 2005年毕业于东京都立大学理学部化学科。2007年结业于东京都立大学理学研究科化学硕士课程。2010年结业于东京都立大学理工学研究科分子材料化学博士课程。同年4月成为早稻田大学理工学部助理研究员。2012年成为日本学术振兴会研究员（PD）。2015年成为早稻田大学理工研究所副研究员。2017年成为日本科学技术振兴机构PRESTO研究员（兼任）。2020年成为东京都立大学理学部化学科特任副教授。 2010年获理学博士学位。 [专业] 化学信息学，量子化学。 [联系方式] 〒169-0007 东京都新宿区大久保3-4-1（工作地点）
迈向光合色素 - 蛋白质复合物中激素耦合的定量描述：量子化学驱动的多尺度方法
对于由多个铬孔组成的分子系统，可以计算激发态，例如，使用多方面配置相互作用（MRCI）10或时间依赖性密度功能理论（TDDFT）。11然而，此类计算的成本随系统大小陡峭。这种蛮力方法的替代方法是使用简化的模型在高水平上计算单个发色团以及它们之间的相互作用。12,13个发色团可以在基于片段的方法中作为片段处理，其中一些含量为14-22，其中一些激子耦合23,24和DeLacalized激发25可以计算。激发耦合负责能量转移，而激发态的离域将光学过渡能的转移以及在分子聚集体上光谱中测得的振荡器强度的重新分布。
非均匀磁场中的相对论朗道量子化及其在白矮星和量子信息中的应用
我们研究了在“严格”空间变化的磁场（但不满足磁单极子条件）下相对论冷电子的二维运动。我们发现，在恒定磁场的情况下出现的朗道能级简并性在磁场变化时会消失，自旋向上和自旋向下电子的能级会根据磁场变化的性质以有趣的方式排列。此外，变化的磁场会将零角动量电子的朗道能级与正角动量分开，而恒定场只能将能级分为正角动量和负角动量。探索非均匀磁场中的朗道量子化本身就是一项独特的事业，对凝聚态物质、天体物理学和量子信息等领域都有跨学科影响。作为示例，我们展示了磁化白矮星，它们受到变化的磁场，同时受到洛伦兹力和朗道量子化的影响，从而影响底层的简并电子气，表现出对钱德拉塞卡质量极限的明显违反；并且在空间增长的磁场存在下，电子的量子速度会增加。
链格孢属植物的拉曼和量子化学研究。
纸上的真菌色素：链格孢属菌种的拉曼和量子化学研究。Victor V. Volkov 和 Carole C. Perry* 诺丁汉特伦特大学科学技术学院跨学科生物医学研究中心，克利夫顿巷，诺丁汉 NG11 8NS，英国。摘要为了加深对影响图书馆、博物馆和档案馆的文化遗产的真菌分子生物化学的了解，我们研究了拉曼光谱在识别纸上真菌有色发色团组成的诊断能力。在本研究中，我们探索了共振拉曼在区分高湿度下在纸上生长的真菌丝中的发色团的诊断能力，重点是表征链格孢属菌种的发色团。为了促进分子分析，我们对在紫外-可见光谱范围内具有光吸收的代表性代谢物进行了量子化学计算。通过理论与实验的比较，我们发现，在成熟的菌丝丝中存在 fonsecin、erythroglaucin 和 aurasperone 类型的发色团，而 β-胡萝卜素在纸面上的酵母沉积物中占主导地位。成熟丝的共振拉曼光谱表明，比 β-胡萝卜素更长的胡萝卜素对光谱特征的贡献更大。利用微观分辨率，我们在丝从酵母沉积物开始的空间区域中区分了丰富的拉曼特征集，这些特征集被归因于木质素、flavoglaucin、核黄素、cycloleucomelon(e) 和 asperyellone 分子成分。在这些区域中，丝的微结构刺激了成熟三维支架的发育，拉曼共振的多样性证实了发育结构具有丰富的生物化学性质。这里介绍的特征真菌发色团和代谢物的光学和光谱响应计算库对于理解真菌对各种纸制品（包括书籍、版画、素描、水彩画、雕刻甚至雕塑）的影响以及设计基于真菌菌丝垫的下一代材料至关重要。 关键词 拉曼、显微镜、真菌、纸、光学、密度泛函理论 引言 真菌界早期 [1] 的专业化归因于原真菌细胞在概念上依赖可渗透壁的生物学来提供快速分子运输和外部消化食物。后者在我们的生活中对真菌起着至关重要的作用：在工业和文化中。如果说系统地使用真菌作为生产剂的理念自直观的古代发酵以来一直发展缓慢，直到 19 世纪末设计出第一种草酸生产的药物化学方案 [2]，那么，人们直到最近几十年才开始意识到真菌作为我们日常生活中的积极参与者，无论是作为病原体，还是作为共生体，或者作为一种冷漠竞争的生命力，只有在了解这些生物组成了自己的王国之后，我们才能理解它们之间的区别 [3]。真菌对人类文化有着巨大的影响，这里我们讨论的是保存在纸质文物中的遗产。纸是一种由纤维素纤维制成的片状材料。在过去的两千年里，纸张是日常使用中信息存储和传输的主要“载体”，取代了蜡和粘土板、桦树皮和皮革羊皮纸。作为一种由多糖链构成的吸湿性有机材料，纸可能是许多微生物的营养来源。真菌是导致纸张降解的主要菌群 [4 ]。它们是图书馆、档案馆和博物馆中书面和印刷遗产的主要威胁 [5 ]。各种曲霉菌、镰刀菌、木霉菌、漆霉和青霉菌都能在纸上有效生长，并引起纸张基质的化学改变。
将量子化学动力学问题映射到旋转 -
摘要：化学，材料，生物学和大气特性的准确计算确定对广泛的健康和环境问题具有关键影响，但受量子机械方法的计算缩放的限制。量子化学研究的复杂性是由电子相关方法的陡峭代数缩放和研究核动力学和分子灵活性的指数缩放。迄今为止，将量子硬件应用于此类量子化学问题的问题主要集中在电子相关性上。在这里，我们提供了一个框架，该框架可以通过将它们映射到量子自旋晶格模拟器来解决量子化学核动力学。使用短的氢键系统的示例情况，我们在单个出生的 - oppenheimer表面上为核自由度构建了哈密顿量，并显示如何将其转化为广义的伊辛模型汉密尔顿。然后，我们演示了一种确定局部领域和自旋 - 自旋耦合的方法，以相匹配分子和自旋晶格哈密顿量。我们描述了一项协议，以确定来自天生的 - oppenheimer潜力和核动能运算符的伊斯兰汉密尔顿的现场和相互耦合参数。我们的方法代表用于研究量子核动力学的方法的范式转移，开放了使用量子计算系统解决电子结构和核动力学问题的可能性。
利用量子化学指导的多目标贝叶斯优化发现储能分子材料
氧化还原液流电池 (RFB) 因其灵活的设计、可扩展性和低成本而成为固定储能应用的一项有前途的技术。在 RFB 中，能量以可流动的氧化还原活性材料 (redoxmers) 的形式传输，这些材料存储在外部并在运行期间泵送到电池中。要进一步提高 RFB 的能量密度，就需要设计具有更宽氧化还原电位窗口和更高溶解度的氧化还原聚合物。此外，设计具有荧光自报告功能的氧化还原聚合物可以监测 RFB 的健康状况。为了加速发现具有所需特性的氧化还原聚合物，最先进的机器学习 (ML) 方法（例如多目标贝叶斯优化 (MBO)）非常有用。在这里，我们首先采用密度泛函理论计算，基于 2,1,3-苯并噻二唑 (BzNSN) 核心结构，为 1400 个氧化还原聚合物分子生成还原电位、溶剂化自由能和吸收波长的数据库。根据计算出的属性，我们确定了 22 种兼具所有所需属性的帕累托最优分子。我们进一步利用这些数据开发和基准测试了 MBO 方法，以快速有效地识别具有多种目标属性的候选分子。使用 MBO，与蛮力或随机选择方法相比，从 1400 个分子数据集中识别最佳候选分子的效率至少提高 15 倍。重要的是，我们利用这种方法从 100 万个基于 BzNSN 的分子的未知数据库中发现了有前途的氧化还原体，我们发现了 16 种新的帕累托最优分子，其性能比最初的 1400 种分子有显著改善。我们预计这种主动学习技术是通用的，可用于发现满足多种所需属性标准的任何一类功能材料。
量子化学和光谱学
1. 微观物质的波粒二象性。经典力学无法描述原子和分子的结构。光和能量的量子。波粒二象性。德布罗意波及其实验观测。2. 薛定谔方程。微分方程。微观粒子的薛定谔方程。复数和复函数。概率和概率密度。波函数及其物理解释。算符、特征函数和特征值。汉密尔顿量。3. 自由和受限电子的平移运动。自由粒子。一维、二维和三维势箱中的粒子。盒中粒子模型的化学应用。化学键的矩形盒模型。穿过势垒的量子隧穿。4. 量子化学的数学形式。物理可观测量的算符。量子力学的假设。波函数的叠加。个体测量和期望值。交换和非交换算子。海森堡不确定性原理。跃迁偶极矩。光谱跃迁的强度。选择规则。5. 振动运动的量子力学描述。谐振子。谐振子的薛定谔方程。谐振子和双原子分子振动之间的联系。振动跃迁的选择规则。6. 旋转运动的量子力学描述。环中粒子的薛定谔方程。二维和三维旋转。角动量及其量化。球谐函数。双原子分子的刚性转子和旋转光谱。7. 氢原子的结构和光谱。单电子原子和离子的薛定谔方程。氢原子的能级、电子波函数和概率密度。原子轨道和量子数。自旋。8. 多电子原子。多电子波函数的轨道近似。自洽场。泡利不相容原理。构造原理和元素周期表。
12 量子计算机上的量子化学
在经典计算机上精确模拟量子系统（包括量子化学中的量子系统）在计算上非常困难。问题在于描述所研究系统所需的希尔伯特空间的维数实际上会随着系统的大小而呈指数增长，如图 1 所示。无论我们模拟动态还是计算某些静态属性（例如能量），这个限制始终存在。理查德·费曼提出了一种替代经典模拟的方法 [1]。他的想法是将上述量子系统的缺点转化为其优点。他建议将所研究量子系统的希尔伯特空间映射到另一个量子系统上（它们都呈指数级大），从而有效地在一个量子系统上模拟另一个量子系统（即在量子计算机上）。虽然开发小型量子计算机已经花了 30 多年的时间，但我们可能很快就会从费曼的建议中受益。 1 事实上，量子化学被认为是小型噪声量子计算机（称为噪声中型量子 (NISQ) 设备）的首批实际应用之一 [4]。此外，人们相信量子计算机最终将使我们能够解决化学、物理学和材料科学中的经典难题 [5–7]。特别是，强关联系统，如催化剂或高温超导体，属于具有高度社会经济重要性的问题，这些问题可以借助量子硬件得到解决。到目前为止，已经提出了几种量子算法来有效地解决化学中的计算难题（即在多项式时间内使用多项式资源，相对于所研究系统的规模和精度）。其中一些也已通过实验得到证实 [6]。然而，由于量子硬件能力有限，这些实验“仅仅”代表了小型化学系统的原理验证模拟，我们可以轻松地用经典方式模拟这些系统。为了使它们具有可扩展性，需要进行量子误差校正，这需要比目前更低的误差率，而且还需要数量级更多的（物理）量子比特。另一方面，这个领域发展非常迅速，我们可能在不久的将来看到分子的误差校正数字量子模拟。如上所述，已经提出了几种可以解决化学中不同类型问题的量子算法[6]。事实上，量子计算化学[5]在过去的15年里取得了巨大的进步。2 在本章中，我们提到了一些算法，但大多数时候都局限于分子汉密尔顿量的电子结构问题，即寻找分子低能谱的问题。这些算法可以作为几何优化、光学特性计算或反应速率测定的子程序[5]。此外，这里阐述的方法可以很容易地应用于其他问题（例如振动分析）。我们专注于数字量子模拟（模拟量子模拟是另一章的主题），这意味着